본문내용
1. 3D프린터 산업
1.1. 3D프린터 정의
1.1.1. 3D프린터의 종류
3D프린터의 종류는 다양한 방식으로 분류할 수 있다. 우선 프린팅 방식에 따라 크게 적층형(첨가형 또는 쾌속조형 방식)과 절삭형(컴퓨터 수치제어 조각 방식)으로 나눌 수 있다.
적층형 3D프린터는 파우더(석고나 나일론 등의 가루)나 플라스틱 액체 또는 플라스틱 실을 종이보다 얇은 0.01~0.08㎜의 층(레이어)으로 겹겹이 쌓아 입체 형상을 만들어내는 방식이다. 레이어가 얇을수록 정밀한 형상을 얻을 수 있고, 채색을 동시에 진행할 수 있다. 대표적인 적층형 3D프린터 방식으로 SLS(Selective Laser Sintering), FDM(Fused Deposition Modeling), SLA(Stereo Lithography Apparatus) 등이 있다.
반면 절삭형 3D프린터는 커다란 덩어리를 조각하듯이 깎아내 입체 형상을 만들어내는 방식으로, 적층형에 비해 완성품이 더 정밀하다는 장점이 있지만 재료가 많이 소모되고 컵처럼 안쪽이 파인 모양은 제작하기 어려우며 채색 작업을 따로 해야 하는 단점이 있다.
또한 재료에 따라서도 3D프린터 기술을 분류할 수 있는데, 주로 플라스틱 소재의 프린터와 금속 소재의 프린터로 구분할 수 있다. 플라스틱 3D프린터는 가정용이나 설계분야에 주로 사용되며, 금속 3D프린터는 주로 산업용 부품 생산에 활용된다. 최근에는 바이오, 유리, 세라믹 등 다양한 소재의 3D프린터도 개발되고 있다.
이처럼 3D프린터는 다양한 방식과 재료로 구현되고 있으며, 계속해서 신기술이 등장하며 발전하고 있다.
1.1.2. 3D프린터의 적용 가능성
3D프린터의 적용 가능성은 매우 광범위하다. 3D프린터 기술은 다양한 산업분야에서 활용되고 있으며, 그 활용 범위가 점차 확대되고 있다.
자동차 분야에서는 현대모비스가 디자인 확인, 기능성 테스트 등에 3D프린터를 활용하고 있다. 3D프린터를 통해 운전석 모듈, 계기판, 에어덕트 등의 시제품을 제작하여 부품 결합의 정밀성을 높이고 있다. 이외에도 자동차 내장재와 바디패널 등 다양한 부품 생산에 3D프린터가 활용되고 있다.
의료 분야에서는 3D프린터 기술이 큰 혁신을 가져오고 있다. 3D프린터를 통해 환자에게 정확히 맞는 인공 치아, 인공 관절, 인공 장기 등을 제작할 수 있다. 특히 2002년 캘리포니아 주립대 의대에서는 3D프린터를 활용하여 100시간이 걸리던 샴쌍둥이 분리수술을 22시간 만에 성공적으로 완수하였다. 3D프린터로 제작한 정밀한 모형은 수술 과정에서 발생할 수 있는 문제를 사전에 파악할 수 있게 해주었기 때문이다.
건축 분야에서도 3D프린터의 활용이 이루어지고 있다. 웨스트 버지니아 공과대학(WVU Tech)은 3D프린터로 주의사당 캠퍼스 모형을 제작하여 행사 계획 수립에 활용하고 있다. 또한 중국의 기업 WINSUN은 3D프린터로 하루 만에 주택을 제작하는 기술을 선보이며 미래의 주거 문화 변화를 예고하고 있다.
이 외에도 로봇 산업, R&D, 교육, 예술, 완구 등 다양한 분야에서 3D프린터가 활용되고 있다. 3D프린터를 통해 제품 개발 기간을 단축하고 비용을 절감할 수 있으며, 복잡한 형상의 제품 제작이 가능해졌다. 또한 개인화된 제품 생산이 가능해져 소비자의 다양한 요구를 반영할 수 있게 되었다.
따라서 3D프린터는 제조업은 물론 의료, 건축, 교육 등 다양한 분야에서 활용되며, 이를 통해 기존 생산 방식의 혁신을 가져올 것으로 기대되고 있다.
1.2. 3D프린터 기술의 발전과 특징
3D프린터 기술은 1980년대 개발된 기술이지만 최근 1년 사이에 업계의 관심이 집중되었다"이다. 먼저 2000년대 후반 이후 각종 기관에서 미래유망 기술로 3D프린터가 부각된 것이 주목의 배경이 되었다". IT 컨설팅 기업 가트너는 2007년부터 매년 3D프린터를 미래유망기술로 선정하여 기술 성숙도와 시장 기대감, 사업성, 방향성 등을 평가했는데, 2012년 3D프린터 기술이 기술 기대 정점에 도달했다고 밝혔다"이다.
또한 MIT와 맥킨지 컨설팅에서도 3D프린터를 미래 10대 유망기술과 와해적 혁신 기술 중 하나로 선정한 바 있다"이다. 이들은 3D프린터 기술이 제품 개발 비용 및 시간 단축, 다품종 소량 생산, 복잡한 형상 제작 등의 우위를 갖고 있다고 평가했다"고 한다.
3D프린터 기술의 발전 배경은 크게 세 가지로 볼 수 있다"이다. 첫째, 1980년대 개발된 기술의 주요 특허가 최근 만료되어 기술 확산의 계기가 되었다"는 것이다. 스트라타시스사가 개발한 FDM 방식 특허와 텍사스 대학의 셀렉티브 레이저 소결(SLS) 기술 특허가 2014년까지 만료 예정이다"고 한다. 둘째, IT기술 발달로 3차원 데이터의 생산과 보급이 확산되면서 가격 하락에 기여했다"는 점이다. 셋째, 제조업 위기에 놓인 선진국에서 3D프린터 기술이 새로운 성장동력이 될 것으로 기대되고 있다"는 것이다. 이를 통해 제조업 활성화와 일자리 창출이 가능할 것으로 전망된다"고 한다.
1.3. 3D프린터 원리 및 기술 현황
최근 3D프린터 기술의 주목의 배경은 무엇보다 2000년대 후반 이후 각종 기관에서 미래유망 기술로 부각되었기 때문이다. IT 컨설팅 업체 가트너는 2007년부터 'Hyper Cycle for Emerging Technologies'를 통해 3D프린터를 미래유망기술로 선정하여 매년 기술별 성숙도와 시장에서의 기대, 사업성 및 방향성을 평가하고 있는데, 3D프린터 기술은 2007년부터 2011년까지 지속적으로 기술출현기와 기술 기대 정점 사이에서 머무르다 2012년 기술 기대 정점 구간의 변곡점에 도달한 모습을 보이고 있다. 2013년에는 '가정용(개인용) 3D프린터'와 '3D 바이오프린터' 기술로 나누어 기술의 성숙도 및 시장에서의 기대감을 구분하고 있다. 한편 가트너에서는 2026년경에 3D프린터 기술의 생산성이 안정기에 접어들어 광범위한 산업이 태동하는 '안정기(Plateau of Productivity)'가 도래할 것으로 예상하고 있다. 이 밖에도 MIT는 2013년에 발표한「10 Breakthrough Technologies」의 하나로 3D프린터 기술(Additive Manufacturing)을 선정하였으며, 경영컨설팅 업체 맥킨지는 2013년 5월 와해적 혁신을 유발할 것으로 예상되는 12개 기술 중 하나로 3D프린터 기술을 선정하고, 2025년경의 예상 경제적 파급효과로 가정용 3D프린터, 소량ㆍ고부가가치 산업용 부품 생산, 3D프린터 기술로 생산한 금형 등을 포함하여 2,300∼5,500억 달러를 추산한 바 있다. 또한 맥킨지는 3D프린터 기술의 경제적 파급효과는 소비 패턴 변화, 창업 활성화, 신제품ㆍ서비스 창출 및 생산성 증가를 중심으로 전개될 것으로 전망하고 있다.
3D프린터는 시제품의 제작비용 및 시간 절감, 다품종 소량 생산(Mass Customization)ㆍ개인 맞춤형 제작용이, 복잡한 형상제작 및 재료비 절감 우위, 완제품 제작 시의 제조 공정 간소화 및 이에 따른 인건비ㆍ조립 비용 절감의 관점에서 많은 장점을 보유하고 있다. 3D프린터를 활용하여 사내에서 시제품을 제작한다면, 손쉽게 디자인을 수정할 수 있을 뿐 아니라 별도의 금형이 필요없기 때문에 투자비용의 극적 감소가 가능하며, 시작품 사내 제작을 통한 기밀 유출 가능성도 차단할 수 있을 것이다. 더불어 소량 생산하더라도 3D 디자인 파일만 있으면 매번 디자인이 다른 제품을 생산하더라도 추가비용이 거의 발생하지 않는 장점 때문에 개인 맞춤형 제작이 필수적인 보청기, 의료 시술, 의족 개발 등에서의 활용이 확산되고 있다. 뿐만 아니라 벌집구조와 같이 복잡하고 내부가 비어있는 형상 제작에 용이하며, 위상기하학 최적화(Topology Optimization)의 적용이 용이하기 때문에 동일한 강도이지만 중량은 절반으로 줄인 제품을 생산함으로써 가공 후 버리는 재료(Buy-to-Fly Ratio)의 급격한 감소를 실현할 수 있다. 마지막으로 일체형 생산(One Body)에 따른 시간ㆍ비용 절감 및 조립ㆍ용접 공정 간소화는 생산 공정상의 비용 감소에 기여할 것이다.
3D 프린팅은 컴퓨터 소프트웨어를 이용해 만들고자 하는 형상을 3차원 모델링화해서 이를 프린트기로 전송해 연속적인 계층의 물질을 뿌리면서 3차원 물체를 만들어내는 부가 제조 기술이다. 3D프린팅 기술은 크게 두 가지로 나뉜다. 첫 번째 부류의 프린터는 물체를 만들기 위해 원재료의 레이어를 쌓는 것이다. 두 번째는 프린터가 원재료들을 결합시켜 물체를 만들어내는 것이다. 전자의 프린팅 방식은 '선택적 증착 방식(Selective Deposition)'으로, 원료를 얇은 층으로 쌓아가는 방식의 프린터들을 지칭한다. 이 프린터들은 주사기나 노즐을 통해 액체를 분출하거나, 뿌리거나, 액체 원료를 짜내서 바르거나, 가루 형태의 원료를 뿜어내는 방식으로 작동한다. 후자의 프린팅 방식은 원료를 레이저나 접착제를 사용해 결합하는 방식이다. 소위 '선택적 결합 방식(Selective Binding)'의 프린터들은 열이나 빛으로 분말이나 빛에 민감한 감광성 수지를 사용해 굳히는 방식을 사용한다. 우리가 미디어에서 본 3D프린팅 방식은 프린터의 헤드나 노즐을 통해 원료를 축적하는 선택적 증착 방식의 프린터들이다. 선택적 증착 방식의 프린터들은 무엇을 프린트해줘야 하는지 알려주는 디자인 파일이 필요하다.
조형 방식에 의한 3D프린터의 분류를 살펴보면, 열가소성 수지를 레이저로 가열하여 응고시키는 방식의 Selective Laser Sintering(SLS), 열가소성 수지를 녹여 쌓아 만드는 방식의 Fused Deposition Modeling(FDM), 레이저광을 선택적으로 창출하여 광경화성 수지를 경화시키는 Stereo LithogrAphy(SLA), 수지 박판 또는 필름 등의 층을 겹겹이 쌓아 만드는 Laminated Object Manufacturing(LOM) 등이 있다. 각 방식에 따라 재료 물질, 주요 특징 및 장점이 다르다.
3D프린터는 소프트웨어가 포맷된 파일을 읽고 나면 기계적 경로와 프린트 헤드의 실제 동작을 계산한다. 계산이 끝나고 나면 원료를 분출하는 프린터는 일반적으로 프린터 헤드를 필요한 방향으로 안내하는 수직?수평의 레일을 따라 움직인다. 첫 번째 층을 쌓기 위해 프린트 헤드는 프린트되는 물체의 밑그림 윤곽을 형성하고 그 후에는 색칠을 하는 것처럼 윤곽 채우기가 진행된다. 3D 프린팅은 CAD 프로그램으로 설계한 파일, 산업용 스캐너, 의료용 스캐너, 비디오 게임 등의 3차원 설계 데이터를 기반으로 실물 모형, 프로토타입, 툴 및 부품 등을 인쇄하듯 만들어 내는 기술이다.
3D프린터에는 원료로 사용될 재료가 필요하다. 현재까지는 플라스틱(열가소성?열경화성?탄성체)이 대부분 사용되고 있지만, 점차 소재도 다양화되고 있다. 강철, 티타늄 등 단단한 금속도 원료로 쓸 수 있도록 하기 위해 프린터 기술 개발이 진행 중이다. 이를 위해 금속 가루를 먼저 열에 민감한 플라스틱으로 코팅한 후 레이저를 이용해 선택적으로 융합시키거나, 노즐을 사용해 금속을 압출하거나 레이저로 직접 원료 분말을 융합하는 방식 등이 시도되고 있다. 소재 부분의 혁신은 금속 외에도 의학 분야에 까지 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 이에 따라 인공 신장, 인공 장기 제작 등이 가능해질 것으로 보인다.
3D프린터 분야는 크게 프린터를 제조하는 기술, 소재 적층기술, 데이터 처리 등의 소프트웨어 관련 기술 등으로 구분된다. 이러한 기술 개발이 진행되면서 3D프린터의 활용 범위가 점점 넓어지고 있다.
1.4. 3D프린터 기업 현황
국내에선 3D프린터 기술이 최근에야 주목받기 시작했지만, 3D프린터의 역사는 생각보다 오래전 시작됐다. 1981년 일본 나고야에서 원시적인 3D 프린팅 기법으로 최초로 입체 조형물을 만들었고, 현대적 개념의 3D프린터 기술은 1984년 미국의 발명가 찰스 헐에 의해 개발됐다. 당시 그는 재료를 한 번에 한 겹씩 인쇄하면서 적층하는 방식의 광조형법(stereolithography)이라는 입체 모델링 인쇄 기법을 창안해 1986년 특허를 획득했다.
현재 세계 3D프린터 산업의 선두 주자로 손꼽히는 곳은 찰스 헐이 1984년 설립한 3D시스템즈(3D Systems)와 스트라타시스(Stratasys)다. 1987년 3D시스템즈는 SLA 방식의 3D프린터를 출시했고, 스트라타시스는 가정용 3D프린터의 대표적인 제조방식인 FDM을 처음 개발했다.
미국 3D프린터 업체들의 영토 확장이 빨라지고 있다. 세계 시장 1, 2...
